Перспективы развития автомобилестроения в области кривошипно-шатунных механизмов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Перспективы развития автомобилестроения в области кривошипно-шатунных механизмов

автомобильный двигатель кривошипный механизм

Рассмотрев пути развития основных показателей автомобильных двигателей, остановимся на развитии отдельных механизмов и систем, а также отдельных деталей двигателей.

Усовершенствование кривошипно-шатунного механизма, продолжающееся и в настоящее время, позволило повысить такие показатели работы двигателей, как мощность и экономичность, снизить их удельный вес, улучшить технологичность производства.

В автомобильных двигателях ранних конструкций цилиндры отливались отдельно друг от друга и от картера, но головка составляла одно целое с цилиндром, такой метод отливки продержался достаточно долго, так как при отливке нескольких цилиндров вместе был велик литейный брак, кроме того, не удавалось обеспечить надежную и прочную герметизацию прокладки между цилиндром и головкой. Постепенно, после ряда неудачных опытов, была освоена отливка цилиндрических блоков с «глухими» головками, а позднее удалось создать надежную и прочную конструкцию съемных головок цилиндров, в чем важную роль сыграло внедрение медно-асбестовой прокладки и точность обработки плоскостей разъема. Как только съемные головки цилиндров были освоены и показали свое несомненное преимущество в производстве, эксплуатации и ремонте, «глухие» головки быстро исчезли, и появилась возможность легко и просто отливать блоки цилиндров заодно с верхней частью картера. Правда, некоторое время еще не решались отливать все цилиндры в блок и отливали группами по два цилиндра, а с появлением шестицилиндровых двигателей иногда и по три цилиндра. Съемная головка цилиндров позволила осуществить отливку при помощи установки стержней в отформованную земляную опоку, обеспечив при этом большую точность литейной формы, без сдвига и смещения стержней. Такая литая заготовка позволила сократить время и упростить процесс механической обработки блока цилиндров, так как после обработки плоскостей блока сверление отверстий, нарезка резьбы и другие операции производятся всего в несколько приемов и занимают минимум времени. Многошпиндельные и многорезцовые станки, ведущие одновременную обработку сразу с нескольких сторон, строго правильное размещение станков соответственно порядку операции, рольганги для перемещения изделий -- все это позволило проводить весьма сложную обработку блоков цилиндров за несколько десятков минут, обеспечивая точность и взаимозаменяемость, необходимую для массового производства. Следует подчеркнуть, что отливка блок-картера распространена теперь и на восьмицилиндровые V-образные конструкции, что обеспечивает максимальную жесткость, высокую точность и минимальную затрату времени, материалов, рабочих площадей и труда.

Изменение конструкции деталей двигателя вызывает необходимость выбора новых материалов. Двигатели первых автомобилей изготовлялись из стали и чугуна и имели большое число деталей, выполненных из медных сплавов. Период от первой мировой войны до 30-х годов характеризуется постепенным сокращением применения меди. В 30-х годах широкое распространение получили поршни из алюминиевых сплавов. После второй мировой войны алюминиевые сплавы начали широко применяться для головок цилиндров и корпусов всех вспомогательных агрегатов. Наконец, в последние годы началось применение алюминиевых сплавов и для блоккартеров. Применение алюминиевых сплавов существенно уменьшает вес, улучшает технологичность деталей. Так, замена чугунного блоккартера алюминиевым для V-образного восьмицилиндрового двигателя дает снижение веса на 70--80 кг.

Следует остановиться также на конструкциях с рабочими гильзами в блоках цилиндров. Сухие гильзы, устанавливаемые по всей длине в цилиндры с целью их замены при ремонте, не получили распространения в автомобильных двигателях, так как имели серьезные недостатки. Теплоотдача охлаждающей воды от такой гильзы затрудняется несовершенным прилеганием гильзы к цилиндру. Температура ее становится выше, условия для работы масла хуже и износы больше, чем при безгильзовой конструкции.

Установка сухих гильз после использования всех допустимых расточек при ремонтах имеет полный смысл, и при достаточной прочности блока цилиндров находит применение в ремонтной практике.

Сухие короткие гильзы из антикоррозийных сплавов, устанавливаемые в верхней части цилиндра, нашли широкое применение в двигателестроении послевоенных лет и, как показывает опыт эксплуатации двигателей Горьковского автомобильного завода, дают прекрасные результаты, увеличивая межремонтные пробеги двигателей. На такую конструкцию перешли и другие отечественные заводы. Проведенные исследования показывают, что можно отметить три вида износов зеркала цилиндра: эрозийный-- от взаимного истирания неровностей скользящих поверхностей, абразивный -- от истирания мелкими частицами, находящимися между трущимися поверхностями, и коррозийный -- от разъедающего действия продуктов сгорания, растворенных в конденсате. Коррозийный износ является самым значительным, поэтому защита от коррозии верхней части зеркала цилиндров дает, возможность заметно сократить износ.

По данным Горьковского автомобильного завода установка коротких аустенитных гильз сокращает износ более, чем в два раза. Отметим, что при тех же исследованиях износ средней части цилиндра (90 мм от верхней плоскости блока) как с гильзами, так и без гильз, оказался одинаковым, что подтверждает целесообразность применения коротких гильз. Материал аустенитных гильз дорог, в состав его входит дефицитный никель (до 17%), поэтому сокращение длины гильзы весьма желательно. Длина гильзы 50 мм, толщина стенки 2 мм. Твердость гильз по Бринелю составляет 156-- 197. Высокое содержание никеля придает аустенитному чугуну свойства кислотоупорности.

Установка «мокрых» гильз в блоках практикуется много лет и в последнее время находит все более широкое применение, так как позволяет легко заменять гильзы при износе; кроме того, чугунные или стальные гильзы дают возможность изготовлять блоки из легких сплавов и уменьшать удельный вес двигателей.

Гильзы позволяют также использовать более стойкие материалы, дающие после термической обработки большие межремонтные пробеги. Мокрые гильзы с короткими аустенитными вставками наиболее стойки, прочны и удобны и получают широкое применение в производстве, в частности, в двигателе автомобиля М-21 «Волга». Новейшим достижением является изготовление блоков цилиндров из легких сплавов, а также электролитическое покрытие зеркала цилиндра хромом для получения поверхностной твердости (Татра 603). Чугунные гильзы ряда современных двигателей выполняют залитыми в алюминиевый блок.

В последние годы крупнейшие автомобильные заводы начинают осваивать отливку головок и блоков цилиндров из алюминиевого сплава под давлением.

Поршень в процессе исторического развития автомобильных двигателей также претерпел ряд изменений. Поршни первых автомобильных двигателей были чугунными, форма их была очень проста. Они мало чем отличались от поршней обычных бескрейцкопфных двигателей. Увеличение числа оборотов коленчатого ваша и стремление уменьшить массу поршня в целях сокращения величины сил инерции от возвратно-поступательно движущихся деталей вызвало появление стальных поршней, более тонких, чем чугунные и, кроме того, облегченных вырезами в стенках юбки. Но стальные поршни, хотя и более легкие и прочные, чем чугунные, не нашли широкого применения в автомобилестроении, так как вызывали увеличенный износ стенок цилиндров и ухудшали отвод тепла (вследствие меньшего сечения головки и пояса колец), температура стальных поршней при работе была выше, чем чугунных. Поршни из алюминиевых сплавов сразу показали высокие преимущества перед чугунными и стальными. Меньшая масса поршней из легких сплавов и их хорошая теплопроводность позволили повысить число оборотов коленчатого вала и степень сжатия и этим весьма значительно усовершенствовать автомобильные двигатели. Но на пути развития поршней из легких сплавов встретился ряд препятствий, задержавших их развитие более, чем «а десятилетие. Прежде всего, до создания электрометаллургии алюминий был очень дорог и дефицитен. Правда, цена его с 3000 фр. в середине XIX в. упала до 2 фр. за килограмм, но все же алюминий до первой мировой войны оставался дефицитным металлом и не мог применяться в автомобильной промышленности, требующей больших количеств материалов к тому времени, когда выпуск автомобилей достиг сотен тысяч штук в год. Кроме того, спрос на амюминий только что возникшей авиационной промышленности возрастал быстрее, чем расширялось его производство. Второе препятствие на пути развития поршней из алюминиевых сплавов было конструктивно-технологичесиим. Высокий коэффициент расширения и температурные деформации поршней при работе заставили конструкторов разработать специальные конфигурации поршней с разрезами и инваровыми вставками и обеспечить необходимые зазоры. Технологи получили поршневые сплавы, обладающие сравнительно меньшими коэффициентами расширения. Как только задача обеспечения автомобильной промышленности алюминиевыми поршнями высокого качества была разрешена, совершенно исчезли стальные поршни и затем постепенно были вытеснены чугунные. Теперь чугунные поршни исчезают даже в дизельных двигателях, где их меньшая теплопроводность является положительным качеством, так как облегчает самовоспламенение топлива. Большие нагрузки от сил инерции при больших числах оборотов коленчатого вала заставляют и здесь переходить от чугунных поршней к поршням из легких сплавов.

Поршни из сплавов магния (сплав «электрон») не получили распространения на автомобилях из-за высокой цены и меньшей прочности.

Оксидирование поршней из алюминиевых сплавов, возникшее в 30-х годах, в целях уменьшения трения, удержания масляной пленки и увеличение сроков службы не получило широкого распространения и было прекращено, так как повреждение оксидированного слоя ухудшало работу и вызывало местный повышенный износ. Появившееся в конце 20-х годов гальваническое покрытие чугунных поршней оловом в целях лучшей приработки, уменьшения температурных зазоров и уменьшения износа дало положительные результаты и в настоящее время распространяется на поршни из алюминиевых сплавов.

Наиболее важные проблемы конструирования поршней современных автомобильных двигателей состоят в том, чтобы обеспечить необходимые минимальные зазоры во время работы, удлинить срок работы поршней и колец, свести к минимуму массу поршня, уменьшить потери на трение и обеспечить хорошую теплоотдачу. Разрезы, эллиптическая форма юбки, инваровые вставки у бобышек, наряду с применением алюминиевых сплавов (с добавкой кремния), дают возможность обеспечить минимальные зазоры и устранить коробление поршня при нагревании во время работы. Появившиеся еще в 20-х годах поршни с глубокими вырезами юбки под поршневым пальцем находят теперь широкое применение, так как позволяют уменьшить зазоры за счет пружинения юбки. Вес их меньше обычных, меньше металлоемкость и, главное, они дают возможность разместить противовесы на щеках коленчатого вала без задевания за юбку поршня, что очень важно для короткоходных двигателей.

Главнейшую роль в обеспечении герметичности внутрицилиндрового пространства играют поршневые кольца. Материалом для них служит специальный чугун, обладающий хорошими литейными свойствами и износостойкостью.

Попытки замены чугунных поршневых колец стальными, проводившиеся как раньше, так и теперь, иногда имели успех, но широкого применения стальные кольца пока не нашли.

Применение металлокерамических и керамических колец со стальными расширителями (экспандерами) в канавках также не получили пока распространения, хотя и обещают некоторые преимущества.

Несмотря на то, что проводились и проводятся многочисленные опыты по созданию наиболее рациональной конструкции поршневых колец, до сих пор они остаются почти такими же, какими были во время возникновения автомобильных двигателей: простыми по конструкции и выполненными из чугуна. Все необычные конструкции не находят пока применения. Правда, как в технологии изготовления, так и в обеспечении необходимых свойств поршневых колец в настоящее время достигнуты значительные результаты. Для лучшего прилегания поршневого кольца к стенкам цилиндра и обеспечения герметичности кольцо до постановки в цилиндр должно быть такой формы, чтобы после постановки оно приняло форму окружности. Есть несколько способов обработки колец для придания им нужных свойств. Самый старый способ, применявшийся на первых автомобильных двигателях, заключался в изготовлении обточкой из отливок в виде трубы цилиндрических колец, а затем после вырезки замка, обточкой в сжатом виде. Другой старый способ отличается от первого только нагартовкой (насечкой) внутренней поверхности (вместо обточки в сжатом виде) для придания поршневым кольцам необходимой формы и упругости.

В течение последнего десятилетия для удлинения сроков службы поршневых колец и цилиндра, верхнее компрессионное кольцо покрывают пористым хромом, удерживающим в порах слой масла. Пористое хромирование верхнего и лужение нижних колец, применяемые на двигателях Горьковского автомобильного завода, показало уменьшение износов поршневых колец и цилиндра.

Хромирование верхнего поршневого кольца и лужение последующих в целях лучшей приработки, устранения опасности задира поверхности цилиндра и уменьшения потерь на трение удлиняют межремонтные пробеги и повышают механический к. п. д. двигателя.

Поршневой палец является деталью двигателя, несущей самую напряженную механическую нагрузку. Ограниченный диаметр поршневого пальца и большие величины давлений вспышки вызывают высокие удельные давления в верхней головке шатуна и бобышках, допускавшиеся в старых двигателях до 270 кг/см² и увеличившиеся в новых до 400 кг/см² и более. Велики напряжения поршневого пальца и на изгиб, а, главное, он испытывает ударные знакопеременные нагрузки и должен обладать как большой вязкостью, так и поверхностной твердостью. С самого начала автомобилестроения поршневые пальцы изготовлялись из легированных, чаще хромоникелевых сталей с содержанием углерода до 0,1-- 0,15% и с последующей цементацией поверхности.

После второй мировой войны освоение методов закалки токами высокой частоты (ТВЧ) позволило изготовлять поршневые пальцы из среднеуглеродистых сталей с закалкой поверхности ТВЧ. Этот способ изготовления поршневых пальцев, принятый рядом отечественных автомобильных заводов, показал высокую производительность, хорошее качество изделий. Он значительно упростил, удешевил и ускорил производство пальцев. Применявшиеся на первом этапе автомобилестроения "сплошные поршневые пальцы вскоре были заменены полыми. Последние более легкие и не уступают сплошным по прочности вследствие того, что внутренние волокна на изгиб не работают. Полые поршневые пальцы равного сопротивления изгибу с коническими проточками, применявшиеся в 20-х и 30-х годах, хотя и более рациональны в конструктивном отношении, сложнее в производстве и поэтому не могут вытеснить полые трубчатые, производство которых проще. Наиболее производительный и дешевый способ производства поршневых пальцев из полосы свертыванием в трубку и сваркой шва был применен Фордом в модели Форд-А 928 г.

Весьма важным конструктивным усовершенствованием является внедрение так называемых «плавающих» пальцев, нашедших применение во всех автомобильных двигателях в 30-х -- 40-х годах. Поршневые пальцы перовых автомобильных двигателей крепились в бобышках поршня при помощи стопорных болтов, в свою очередь надежно зашплинтованных. Частые случаи выхода из строя стопорного устройства, смещения пальца и повреждения им зеркала цилиндров, заставили конструкторов обратить внимание на большую надежность крепления пальцев. Большой износ поршневых пальцев и бронзовых антифрикционных втулок верхней головки шатуна ставили перед конструкторами задачу найти пути к уменьшению износа этой высоконапряженной детали. Первым шагом на этом пути был переход к креплению пальца в верхней головке шатуна при помощи стяжного болта. Это позволило уменьшить ширину головки шатуна, так как при неподвижном соединении шатун -- поршневой палец допускаются почти в полтора раза большие удельные давления, кроме того, неизбежные небольшие перекосы в установке шатуна не вызывают таких износов, как при скользящем соединении шатун -- палец. Крепление пальца в шатуне позволило уменьшить удельное давление в бобышках в результате увеличения их площади, благодаря чему сократился износ пальца и антифрикционных втулок в бобышках поршня. Появление плавающих пальцев, скользящих как в шатуне, так и в поршне, показало их преимущество: вследствие того, что равномерно изнашивается вся поверхность пальца износ приблизительно в два раза меньше. Кроме того, стопорные устройства против осевого смещения поршневого пальца -- пружинные колечки или заглушки из мягкого сплава -- имеют ничтожный вес, просты и дешевы в производстве и весьма удобны в эксплуатации и при ремонте. По надежности стопорения поршневого пальца против осевого смещения плавающая система также сС появлением плавающих пальцев другие способы фиксации от осевых перемещений почти совсем исчезли; при этом наиболее практичными, дешевыми и технологичными оказались пружинные стопорные колечки, вытеснившие алюминиевые стопорные заглушки.

Фиксация поршневых пальцев одним пружинным стопорным колечком в средней части пальца (двигатели ГАЗ-А, М-1) не нашла широкого применения, так как оказалась менее надежной.

В первых одно- и двухцилиндровых двигателях разборный коленчатый вал был образован двумя маховиками и пальцем кривошипа, у шатунов верхняя и нижняя головки были неразъемными с бронзовыми антифрикционными втулками. Увеличение числа цилиндров и применение неразъемных коленчатых валов заставило перейти на конструкцию шатуна с разъемной нижней головкой.

Вместо бронзовых втулок стали применять бронзовые разъемные вкладыши, залитые баббитом. Большой расход бронзы на вкладыши и ее дефицитность в связи с широким развитием автомобилестроения стимулировали появление стальных, залитых баббитом вкладышей, которые после первой мировой войны быстро вытеснили бронзовые вкладыши, так как были освоены методы надежной и доступной для повседневной практики заливки стальных вкладышей. Некоторые заводы (Форд, ГАЗ) производили заливку баббитом без всяких вкладышей, прямо в «тело» шатуна. В конце 30-х годов получили распространение тонкостенные стальные взаимозаменяемые вкладыши с тонким слоем заливки баббита. Такие вкладыши высоко технологичны и наиболее совершенны с точки зрения массового производства, так как производятся из тонкой стальной калиброванной ленты с высокой степенью точности. В эксплуатации и при ремонте тонкостенные взаимозаменяемые вкладыши позволили отказаться от сложной и дорогой системы перезаливки и шабровки вкладышей, так как изношенные вкладыши заменяются вкладышами необходимых ремонтных размеров.

Наиболее рациональна форма сечения шатуна--двутавровая-- нашла применение с самого начала автомобилестроения. Попытки использовать другие формы сечения шатунов не имели успеха; так как все эти формы уступают двутавровым. Применявшиеся в начале автомобилестроения круглые сплошные сечения, а позднее трубчатые, нерациональны, так как моменты инерции в обеих плоскостях у них одинаковы, кроме того, первые очень тяжелы и металлоемки, а вторые сложны и дороги в производстве, так как дают отходов в стружку значительно больше, чем вес готового изделия, причем сверление полости стержня сопровождалось большим процентом брака. Круглые, трубчатые, эллиптические и другие виды сечений совершенно исчезли, не выдержав сравнения с двутавровым то технологичности, легкости и способности удовлетворять расчетным требованиям. Получившие некоторое распространение крестообразные сечения шатунов, введенные Фордом в 20-х годах, не получили дальнейшего распространения, несмотря на высокую технологичность, так как по величине момента инерции эти сечения значительно уступали двутавровым.

Большая длина шеек коленчатого вала двигателей старых конструкций вызвала необходимость крепить соответственно широкие крышки нижних головок шатунов четырьмя болтами. Отсутствие в то время динамометрических ключей было частой причиной перезатяжки и неравномерной затяжки сравнительно тонких шатунных болтов, в результате чего в процессе работы наблюдались растяжение и ослабление болтов, появление больших зазоров. В результате возникшей ударной нагрузки происходил обрыв шатунных болтов, вызывавший серьезные аварии с повреждением головки цилиндра, зеркала, картера.cтоит на первом месте.

Наиболее рационально крепление нижней крышки шатуна двумя болтами, так как при большей толщине болта нет опасности его перетянуть; кроме того, у двух болтов удается всегда точнее осуществить необходимую затяжку. Укорочение шатунных шеек современных коленчатых валов также обусловило необходимость свести число шатунных болтов к двум.

Шатуны автомобильных двигателей до первой мировой войны, как правило, изготовлялись из хромоникелевых сталей. Практика показала, что применять такой высоколегированный металл нет надобности, и в современном массовом автомобилестроении используют для шатунов простые углеродистые стали с содержанием углерода 0,35--0,45% или малолегированные стали.

Коленчатые валы автомобильных двигателей выполнялись, как отравило, стальными хаванными, такими же они остаются в большинстве случаев и теперь. Но в ряде конструкций одно- и двухцилиндровых двигателей применялись составные валы, образованные маховиками и пальцем кривошипа. Такие конструкции сохранились и до настоящего времени в двигателях мотоциклетного типа. Разъемные коленчатые валы многоцилиндровых двигателей находят применение лишь при подшипниках качения, когда для постановки средних коренных подшипников вала или роликовых шатунных подшипников необходимо разъединять части вала.

Валы первых автомобильных двигателей изготовлялись из хромоникелевых сталей выдалбливанием из целой заготовки -- плиты (например, первый выпуск АМО-Ф-15 и ряд старых моделей). При этом снималось громадное количество стружки, ценный материал шел

в отходы, затрачивалось много времени, труда и, самое главное, страдало качество изделия, так как перерезались волокна заготовки и вал получался ослабленным. Более прогрессивным методом было изготовление вала свободной ковкой, принятое на ряде автомобильных заводов; однако этот метод требовал высокой квалификации кузнецов, от искусства которых зависело качество поковки. Кроме того, ковка отнимала много времени и обходилась дорого. Использование оправки и, наконец, переход на штамповку значительно упростили, ускорили и удешевили производство. Кроме того, конструкция шпампов, обеспечивающая параллельное расположение неперерезанных волокон, повысила качество изделия. Штампованные коленчатые валы, как правило, не требуют дальнейшей обработки щек, производится только обточка шеек и сверление маслопроводных каналов, обработка галтелей и трущихся поверхностей, что значительно сокращает время и удешевляет производство.

Еще более производительным и совершенным с точки зрения технологии является метод отливки коленчатых валов, впервые введенный в практику массового автомобилестроения в 30-х годах Фордом на новой модели двигателя Форд-8. Отливка валов позволяет уменьшить вес снятой стружки, сокращает время обработки и обеспечивает высокое качество изготовления вала. В 1955 г. на европейском заводе Форда в Германии введен еще более совершенный способ отливки коленчатых валов для двигателей Форд-Таунус--отливка из глобулярного чугуна (со специфическими включениями графита). Она производится в опоках с шестью сердечниками. Вместе с сердечником в опоку закладывают маслопроводные трубки, поэтому отпадает надобность в сверлении маслопроводных каналов, ослабляющих коленчатый вал, усложняющих механическую обработку и увеличивающих количество стружки. Механическая обработка литого коленчатого вала сильно упрощается, уменьшается вес стружки, вес готового изделия благодаря полостям в шейках и щеках становится на 27% меньше веса штампованного вала. Прочность и жесткость такого полого вала не уступает штампованному, так как тонкостенные полые сечения большого диаметра обеспечивают высокий момент сопротивления изгибу и кручению.

В настоящее время чугунные коленчатые валы отливают и на отечественных заводах, причем отливку производят в корковые формы, что существенно уменьшает припуски на обработку. Тенденция сокращения длины шеек и увеличения их диаметра наблюдается с самого начала автомобилестроения. Если коленчатые валы первых двигателей имели длинные шейки малого диаметра с отношением длины к диаметру, равным 2 и более то постепенно величина этого отношения убывала и достигла в настоящее время для коренных шеек 0,3.

Размещено на Allbest.ru